Le Comunicazioni Ottiche

Obiettivo:
Terabit per secondo

Introduzione
Come è chiaro dalla lettura delle pagine precedenti, la capacità di trasporto dell'informazione di una fibra ottica eccede in linea di principio il Tbit/s. D'altro canto, allo stato attuale della tecnologia è impensabile riuscire a sfruttare tale banda attraverso una trasmissione a tale velocità, secondo le tecniche fin qui descritte per le limitazioni dei componenti elettrici che, in definitiva, producono e trattano l'informazione che transita in fibra. Le massime velocità di trasmissione monocanale attualmente in uso sono dell'ordine dei 10 Gbit/s. Escludendo l'uso di componenti e tecnologie interamente ottiche, ancora allo stadio di prototipi sperimentali, l'unica maniera per sfruttare la grande capacità della fibra è quella di ricorrere a sistemi multicanale, in cui ogni canale di trasmissione viene "aperto" indipendentemente dagli altri, "modulando una portante" su una particolare lunghezza d'onda. Si può realizzare così uno schema di multiplazione a suddivisione di lunghezza d'onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing) schematizzato nella figura seguente, che permette di aggregare più canali elementari (ad alta velocità) per realizzare collegamenti ad altissima capacità. Non esiste alcuna differenza di principio tra la WDM e la FDM impiegata nei sistemi elettrici di comunicazione; nell'ambito delle trasmissioni ottiche si suole indicare con WDM una FDM con spaziatura tra le portanti grande ( > 100 GHz o 1 nm), mentre si continua a parlare di FDM nel caso di WDM a spaziatura fitta, in cui cioè la spaziatura tra portanti è dell'ordine di grandezza della banda dei singoli canali B. La differenza sostanziale, come sarà chiaro in seguito, consiste nel fatto che il segnale ottico WDM può essere demultiplato con filtri ottici e rivelato con ricevitori DD mentre i canali FDM possono essere ricevuti solo con demodulatori coerenti ad alta selettività.

Fig. 7.1 - Spettro di un segnale WDM/FDM.
La figura seguente mette in evidenza l'estensione di una possibile finestra di trasmissione attorno agli 1.55 m per segnali WDM ad elevato numero di portanti. Considerando canali di trasmissione STM-16 a 2.5 Gbit/s, con una spaziatura fitta di 10 GHz, si arriva facilmente ad una capacità totale attorno ai 2000 canali in III finestra per un flusso totale di informazione (throughput) di 5 Tbit/s. C'è da notare, inoltre, che una eventuale trasmissione monocanale di banda così larga dovrebbe fronteggiare grossi problemi di dispersione del segnale in fibra, che risultano più tollerabili per un aggregato di molti canali ciascuno a velocità di trasmissione (e, quindi, banda) assai più ridotta.

Fig. 7.2 - Estensione di una finestra sugli 1.55 µm per trasmissioni WDM.

7.1 - Sistemi WDM
I sistemi WDM possono essere vantaggiosamente impiegati in ciascuna delle tre tipologie fondamentali (architetture) di rete per telecomunicazioni. Lo scenario dipinto nel paragrafo precedente si riferisce evidentemente ad un contesto di sistemi punto-punto ad alta capacità, in cui gli N_c canali a 2.5 Gbit/s possono essere visti come flussi SDH indipendenti trasmessi sullo stesso portante. In teoria un siffatto sistema presenta un parametro di capacità esattamente pari ad N_c volte il corrispondente valore di del sistema monocanale a 2.5 Gbit/s, poichè si presume che ognuno degli N_c canali conservi la capacità del monocanale anche in presenza dei canali adiacenti; N_c sembra, dunque, limitato solo dall'ampiezza della finestra di trasmissione. In pratica, il numero massimo N_c di canali è dettato da diverse esigenze. Naturalmente si deve far sì che la spaziatura delle portanti sia tale da non creare fenomeni di interferenza cross-canale tra i vari flussi multiplati. In generale, per segnali FDM a spaziatura stretta, è buona norma far sì che 10*B salvo casi particolari di modulazione a banda stretta (es. CP-FSK) in cui tale valore può essere ulteriormente ridotto. Il fattore più limitante è, però, l'aumento della potenza del segnale in fibra, dovuto alla concomitanza di più segnali. Se, infatti, ogni canale trasmette con potenza P_T, la potenza totale in fibra è semplicemente N_cP_T e può risultare al di là della soglia di innesco dei vari fenomeni nonlineari connessi alla struttura del materiale. Un valore tipico di P_T è 1 mW, sicuramente al di sotto della soglia di innesco delle diffusioni anelastiche Brillouin e Raman e dell'effetto Kerr; la conseguente potenza totale di N_c mW del segnale FDM può rivelarsi eccessiva, pena l'insorgere di rilevanti fenomeni di distorsione e di intermodulazione tra canali dovute alle nonlinearità.
Specificamente i fenomeni che degradano in misura più consistente le prestazioni dei sistemi FDM sono la diffusione Raman e l'effetto Kerr, poichè la natura estremamente selettiva della diffusione Brillouin, che richiede anche segnali contropropaganti, rende praticamente ininfluente quest'ultimo fenomeno. Per effetto Raman i canali a lunghezza d'onda più bassa si trovano a funzionare da "pompa" per i canali a lunghezza d'onda maggiore; di conseguenza, la potenza viene "trasferita" tra i canali (vedi figura seguente). Usando modulazioni OOK, il trasferimento si ha solo quando il segnale che si comporta da pompa è "alto"; si crea con ciò una fluttuazione della potenza sulle varie portanti che dipende dalla particolare successione (pattern) dei simboli trasmessi su ogni canale. Tale fluttuazione viene vista dal ricevitore (DD o coerente) come un rumore aggiuntivo che degrada le prestazioni del collegamento. Calcolando la variazione di potenza del canale alla frequenza più alta (che viene maggiormente interessato dall'effetto Raman, perchè funziona da pompa per tutti gli altri canali e viene quindi massimamente svuotato di potenza), si trova che la massima potenza tollerabile per canale P_T dipende dall'inverso di N_c² e deve essere, perciò, ridotta attorno alla decina di W per collegamenti con un migliaio di canali. Ovviamente questo porta ad una riduzione della lunghezza ammissibile del collegamento L rispetto al valore ottenibile in regime lineare monocanale, cosicché si deve individuare il punto di funzionamento ottimale se si desidera massimizzare la capacità di trasmissione intesa come prodotto banda*distanza del sistema.

Fig. 7.3 - Effetto Raman su di un segnale WDM.
Un secondo fattore di degradazione importante, come già accennato, è l'effetto Kerr che, lo ricordiamo, rende l'indice di rifrazione della fibra dipendente dalla potenza del segnale trasmesso. L'effetto Kerr provoca, nel contesto dei sistemi FDM, quel fenomeno chiamato modulazione di fase incrociata (XPM, Cross-Phase Modulation), per cui la fase del segnale ad una data lunghezza d'onda risulta dipendente (attraverso la variazione dell'indice di rifrazione) dalla potenza del segnale presente ad una diversa lunghezza d'onda (e viceversa). I sistemi WDM a spaziatura larga con ricevitori DD risultano insensibili alla XPM, perchè insensibili alla fase del segnale ricevuto. Il contrario si verifica evidentemente per i sistemi coerenti; l'impatto della XPM in questo caso è massimo per sistemi ASK, in cui la potenza nei canali è variabile nel tempo, causando una modulazione di fase aleatoria sui vari segnali, mentre è ridotto nel caso di segnali FSK e DPSK che presentano potenza costante (e quindi distorsione di fase per XPM costante nel tempo). In tal caso l'unico fattore penalizzante è dovuto alle fluttuazioni d'ampiezza per RIN dei trasmettitori che vengono convertite per XPM in modulazioni di angolo; la potenza massima ammissibile per canale P_T è proporzionale in questo caso ad 1/(N_c)^1/2 e dà una limitazione meno restrittiva, per grande N_c, della limitazione dovuta a diffusione Raman. Ulteriori fenomeni di nonlinearità (come il cosiddetto four-wave mixing) risultano trascurabili nelle effettive condizioni d'impiego previste per i sistemi FDM. Le varie restrizioni sulla potenza massima per canale sono riassunte nella figura seguente; come si nota, il four-wave mixing e la diffusione Brillouin sono praticamente trascurabili mentre la diffusione Raman diventa predominante per trasmissioni a grande numero di canali.

Fig. 7.4 - Limitazione per effetti nonlineari alla potenza per canale in sistemi WDM.
L'intermodulazione tra i canali del segnale FDM può presentarsi in quei casi in cui vi è necessità di amplificare il segnale per compensare perdite di distribuzione o nel caso di collegamenti multitratta. Trattando un segnale FDM con molte portanti, è ancora maggiore la convenienza di un singolo amplificatore ottico come elemento attivo nei confronti degli N_c rigeneratori elettro/ottici in parallelo che si richiederebbero nel caso di ripetizione rigenerativa; d'altro canto, gli AO (SLA o EDFA) possono dar luogo a fenomeni di intermodulazione rilevanti quando il segnale d'ingresso tende a portare il dispositivo in regime di saturazione. In particolare un canale può risultare distorto per la saturazione dello AO indotta dagli altri canali, indipendentemente dalla spaziatura delle portanti: il guadagno istantaneo relativo ad un canale dipende in tal caso dall'ampiezza dei segnali negli altri canali (saturazione incrociata). Il problema viene banalmente risolto facendo lavorare il dispositivo lontano dalla saturazione. Dal punto di vista della amplificazione di segnali FDM, però, gli SLA sono penalizzati rispetto agli EDFA da un ulteriore fenomeno che causa intermodulazione tra canali e, precisamente, la dipendenza del guadagno del dispositivo dalla popolazione di portatori nello stato eccitato. Per uno SLA il tempo di permanenza dei portatori nello stato eccitato è molto piccolo ( 0.5 ns) e, quindi, la relativa popolazione tende a seguire le variazioni istantanee del livello di potenza totale del segnale ottico. Segue che il guadagno può variare da istante ad istante, provocando distorsioni nonlineari. Consideriamo, infatti, il segnale FDM

ove P_i è la potenza del canale i-esimo, f₀ è la frequenza portante del canale a frequenza minima, _i è l'angolo di fase iniziale di ciascuna portante e per semplicità le portanti appaiono prive di modulazione. La potenza istantanea di s(t), soppressi i termini a frequenza doppia cui lo SLA non è sensibile, è pari a

che contiene componenti di intermodulazione alle frequenze differenza (k-i) tra le varie portanti. La variazione di guadagno ¹⁷ e di indice di rifrazione indotta da questi termini non è eliminabile neanche usando modulazioni ad ampiezza costante.
Per l'amplificazione di segnali FDM si sono invece rivelati ideali gli EDFA che non presentano questi fenomeni di saturazione incrociata dovuta a modulazione del guadagno. Negli EDFA, infatti, il guadagno dipende dalla popolazione N₂ sul livello metastabile; gli elettroni su tale livello hanno, però, un tempo di vita intrinseco dell'ordine di 1÷10 ms che rende la popolazione sostanzialmente insensibile alle variazioni istantanee della potenza di segnale dovute ai termini di "battimento" tra i vari canali. Il guadagno non è, quindi, modulato da tali termini e non si ha intermodulazione per four-wave mixing.
Un fattore che può sembrare di secondaria importanza ma che risulta in pratica cruciale per la implementazione di reti FDM a spaziatura fitta, è la necessità di una stabilizzazione relativa dei LASER di trasmissione, affinchè la spaziatura delle portanti resti costantemente fissa al valore nominale e non venga a dipendere da variazioni termiche od invecchiamento dei vari dispositivi. In generale, quindi, si devono vincolare i vari LASER ad una sorgente, possibilmente stabile, che funge da master. La stabilità assoluta del master può a sua volta non essere cruciale se si desidera solo garantire la spaziatura relativa dei canali mentre diventa cruciale qualora risulti importante garantire il valore assoluto (oltre che la spaziatura) delle frequenze di trasmissione. A questo scopo si prevede di usare come master dei LASER a gas (tipicamente acetilene o ammoniaca) vincolando i vari LASER di trasmissione ad opportune righe di emissione o assorbimento dei gas medesimi.
Per concludere la discussione dei sistemi multicanale, citiamo il principio della cosiddetta "Sub-Carrier Multiplexing" (SCM). Negli schemi di multiplazione visti precedentemente la modulazione delle portanti e la combinazione dei segnali dei vari canali avvengono in ambito ottico; tali sistemi sono per questo talvolta chiamati OFDM (Optical FDM). Un diverso sistema di multiplazione è appunto lo SCM in cui si produce dapprima un segnale FDM elettrico modulando N_c portanti nella banda delle microonde con modulatori elettrici come in un tradizionale ponte radio analogico; il segnale elettrico s(t) risultante viene poi usato per modulare in intensità una unica portante ottica attraverso un modulatore analogico di intensità con LASER (figura seguente). Lo SCM è già usato per la distribuzione via cavo in fibra di canali televisivi (i vari segnali tributari) con modulazione delle "sottoportanti" elettriche analogica o numerica. Esso consente, infatti, la trasmissione di molti canali a capacità medio/bassa e spaziatura fittissima, che non può essere realizzata con tecniche OFDM per chiari motivi di stabilità delle sorgenti LASER. Una rete di distribuzione ad alta capacità può, comunque, essere realizzata multiplando opportunamente con OFDM più segnali SCM sulla stessa fibra.

Fig. 7.5 - Collegamento su fibra con Multiplazione a Sottoportante (SCM).

7.2 - Cenni ai Componenti per Reti WDM Interamente Ottiche
Una delle tendenze di spicco nel campo della ricerca e sviluppo sulle reti multicanale WDM per telecomunicazioni ad altissima capacità è la implementazione delle operazioni di commutazione ed instradamento dei messaggi (switching and routing) mediante nodi interamente ottici senza, cioè, la necessità di conversioni optoelettroniche tra il sorgente e il destinatario. Questo obiettivo ambizioso necessita dello sviluppo di opportuni componenti interamente ottici per il trattamento dei segnali portatori di informazione, cui si fa un cenno di seguito.

7.2.1 - Multiplatore e Demultiplatore
Nei sistemi punto-punto i vari segnali tributari alle varie lunghezze d'onda devono essere accoppiati ad un'unica fibra tramite un multiplexer ottico; dal lato ricezione essi devono poi essere demultiplati con il duale demultiplexer ottico. Tra le molte strutture di multiplexer ottico dimostrate a tutt'oggi, una delle più promettenti appare la guida d'onda integrata a cascata di interferometri Mach-Zender. Come è indicato nella figura seguente, lo stadio di combinazione elementare è un interferometro realizzato in modo che il percorso aggiuntivo relativo ad uno dei due rami provochi un opportuno sfasamento del segnale alla lunghezza d'onda relativa; in tal modo si può variare il grado di "accoppiamento" tra i rami stessi in modo che all'uscita A si trova la somma dei due segnali alle due lunghezze d'onda prescelte, mentre il segnale alla porta B viene ad annullarsi. Tale componente risulta reversibile e, quindi, immediatamente utilizzabile come demultiplatore in grado di separare i canali alle due lunghezze d'onda ₁ e ₂ questa volta entranti dalla porta A. La ripetizione della struttura-base permette, poi, la realizzazione di MUX/DEMUX integrati ad alto numero di canali (nella stessa figura un esempio di componente 4x4) il cui unico svantaggio è costituito dalle perdite di accoppiamento alle fibre di ingresso/uscita.

Fig. 7.6 - (a) Accoppiatore con interferometro Mach-Zender - (b) MUX/DEMUX 4x4 con 3 interferometri.
Un diverso tipo di multiplatore (non selettivo) è utile in quei casi in cui tutti i segnali tributari devono essere accoppiati a tutte le fibre uscenti, ad esempio nelle reti di distribuzione e nelle reti locali/estese a stella. La multiplazione può essere, allora, effettuata mediante un accoppiatore a stella (star coupler) che raccoglie gli N segnali da trasmettere e fornisce M (in generale M è diverso da N) segnali costituiti dalla M-esima suddivisione del segnale combinato. Una possibile realizzazione di uno star coupler 8 x 8 con 12 accoppiatori in fibra a modo singolo è mostrata di seguito ma ha lo svantaggio di essere ingombrante quando il numero di canali supera qualche decina.

Fig. 7.7 - Accoppiatore a stella 8 x 8 - Ogni elemento è un accoppiatore 50/50 in fibra a modo singolo.
Una seconda possibilità realizzabile anche per un numero di canali fino a 100 ma soltanto per fibre multimodo (mentre nel caso di fibre monomodo ci si deve limitare a qualche unità) è quella di fondere insieme un certo numero di fibre, allungando la sezione fusa in modo da creare una sorta di "tratto comune" a tutte le fibre che permette la combinazione dei segnali.
Osserviamo, infine, che una rete multipunto-multipunto passiva (PON, Passive Optical Network) WDM o FDM per trasmissione dati può essere costruita in modo che le operazioni di instradamento e/o selezione dei canali vengano effettuate attraverso opportune operazioni in ambito frequenziale. Il generico nodo della rete sperimentale LAMBDANET della Bellcore, ad esempio, è costituito da un trasmettitore ad una particolare lunghezza d'onda assegnata a priori e da un ricevitore che è in grado di ricevere tutti i canali presenti nella rete, come è rappresentato nella figura seguente, effettuando una selezione a livello elettrico sui flussi dati demultiplati; il punto di multiplazione è centralizzato e consiste in uno star coupler NxN (ove N è il numero totale di nodi nella rete), che riceve N fibre di trasmissione dagli N nodi e fornisce N fibre di ricezione agli N nodi su cui vengono accoppiati tutti gli N segnali di nodo. Tutti i segnali sono, quindi, inviati a tutti i nodi (rete broadcast-and-select) che selezionano, poi, il canale utile.

Fig. 7.8 - Rete Locale/Estesa LAMBDANET per Trasmissione Dati.
Nella LAMBDANET la demultiplazione del canale di ricezione avviene con componenti ottici passivi e selezione elettrica ma in altre reti WDM può essere effettuata mediante ricevitore coerente con LASER sintonizzabile (come nella rete STARNET dell'Università Stanford) oppure con ricevitore a rivelazione diretta preceduto da un filtro ottico sintonizzabile su comando elettrico (rete RAINBOW della IBM). In queste reti la configurazione fisica è del tipo "a stella" ma la topologia logica può variare secondo gli archetipi standard (stella, bus o anello) a seconda della convenzione sulle frequenze di trasmissione/ricezione adottata. Nella configurazione "anello", ad esempio, si fa in modo che la lunghezza d'onda di trasmissione del nodo m-esimo _T,m sia uguale alla lunghezza d'onda di ricezione _{R, (m+1)} dello (m+1)-esimo: _{T, m} = _{R, (m+1)}.

7.2.2 - Filtri Ottici Sintonizzabili a Cavità
Come detto, la selezione dei vari canali sulla base del valore della frequenza (lunghezza d'onda) di trasmissione può essere effettuata tramite ricevitori coerenti con LASER locale sintonizzabile, ovvero (in reti WDM a grande spaziatura) con ricevitori a rivelazione diretta preceduti da un filtro ottico passivo sintonizzabile. Un tipico esempio di questi componenti è il filtro a cavità (Fabry-Pérot), che basa la propria selettività sul fenomeno di risonanza (interferenza costruttiva) del segnale luminoso nella cavità a facce riflettenti. Una cavità di lunghezza L può essere riguardata come un filtro a pettine le cui frequenze passanti sono multiple della spaziatura _FP = c/(2nL), ove n è l'indice di rifrazione del mezzo. La sintonizzabilità di questi componenti è ottenuta variando su comando elettrico l'indice di rifrazione di un cristallo liquido che costituisce la cavità oppure variando la lunghezza della cavità costituita da materiale piezoelettrico (effetto magnetostrittivo). Tipi completamente differenti di filtri ottici si basano su differenti effetti selettivi (acusto-ottici o elettroottici) simili a quelli impiegati nei LASER a reazione distribuita, oppure su interferometri Mach-Zender.
Dovendo selezionare un solo canale del segnale multiplex, si deve far sì che il _FP risulti più grande della banda totale N_c cosicchè nessun altro canale possa essere accidentalmente selezionato dai lobi adiacenti del filtro; contemporaneamente la banda del filtro B_FP deve risultare più piccola della spaziatura per evitare interferenza dai canali adiacenti. Il filtro a cavità viene, perciò, caratterizzato dal parametro F = _FP/B_FP chiamato finezza (finesse). Se le facce hanno la stessa riflettività R, si trova
.

La risposta in ampiezza del filtro Fabry-Pèrot è mostrata nella figura seguente per diversi valori di R. Valori tipici di R sono nell'intorno del 90% fino al 99%. Per R = 0.9, si ha F30 che può considerarsi la selettività tipica ottenibile da tale componente e che mostra una intrinseca difficoltà del filtro a cavità a demodulare segnali FDM a spaziatura fitta. Si supponga, infatti, B = 2.5 Gbit/s e, quindi, B_FP = 5 GHz. Adottando una spaziatura = 10 GHz per N_c = 100 canali, si deve avere _FP > 1 THz, cioè F > 200, di difficile realizzazione. In generale, assegnata la finezza F del filtro, ci si deve assicurare che 2FB > N_c, ove si è fissato B_FP = 2B. Il numero massimo di canali è, quindi, N_c < 2FB/ che, assegnata F e fissato per questioni di interferenza, limita fortemente la capacità dei sistemi WDM con ricevitori a rivelazione diretta e filtro ottico.

Fig. 7.9 - Risposta in ampiezza del filtro a cavità Fabry-Pèrot.

7.3 - Multiplazione di Lunghezze d'Onda
Alla fine degli anni '70 pochi dubitavano che le comunicazioni a lunga distanza ad alta velocità potessero essere superate dalle tecnologie su fibra ottica. Le fibre in silicato di vetro potevano condurre segnali ad infrarossi per decine di chilometri con una bassissima perdita (0.2 dB/Km con = 1.55 m); se questo livello di perdita viene paragonata al cavo coassiale di rame con perdite di 2.5 dB/Km per un segnale modulato su portante di 1 MHz (e oltre i 50 dB/Km a 1 GHz), si comprende il vantaggio offerto dalla fibra. A ciò si aggiungeva il fatto che la fibra prometteva una banda, impossibile su altri mezzi, di 25 THz mai raggiunta prima per limitazioni tecnologiche.
Alla fine degli anni '80, quando nei sistemi di trasmissione punto-punto operanti a 1.55 m la velocità di trasmissione era di 250 Mb/s (e certi sistemi sperimentali consentivano di arrivare ai 10 Gb/s), lo scenario venne completamente stravolto dall'avvento degli EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier); questi, infatti, consentivano di amplificare molti segnali contemporaneamente su una banda larghissima ( 3 THz) aprendo, così, la strada alle trasmissioni a larga banda ed, in particolare, alle trasmissioni multiplexate di più lunghezze d'onda. In breve tempo gli ingegneri riuscirono ad ottenere sistemi operanti a 100 Gb/s su distanze superiori ai 100 Km.
Rimandando al Cap. 5.2.2 per la descrizione degli amplificatori EDFA e delle loro possibili applicazioni, descriviamo nel seguito come è possibile sfruttare queste capacità con le nuove tecniche di trasmissione WDM (Wavelength Division Multiplexing) e TDM (Time Division Multiplexing).
Come detto, gli amplificatori ottici a larga banda aprirono la strada alla trasmissione di più segnali nella stessa fibra. Questa tecnica, conosciuta come WDM, ha aumentato incredibilmente la capacità dei sistemi ottici. L'unione degli EDFA con le tecniche WDM può portare, infatti, alla costruzione di sistemi ottici operanti al di sopra del terabit per secondo, analizziamo come.
Due fotoni possono occupare il medesimo spazio, ciò spiega perchè due fasci di luce, quando si incrociano, semplicemente si attraversano senza disturbarsi. Allo stesso modo molti fasci luminosi a differenti lunghezze d'onda (in letteratura si utilizza anche la dizione a differenti colori) possono propagare in una fibra ottica simultaneamente, ciascuno trasportando il proprio flusso dati modulato.
Concettualmente le tecniche WDM sono analoghe alle tecniche FDM (Frequency Division Multiplexing) utilizzate nei sistemi radio operanti su canali con onde portanti di differenti frequenze. L'onda portante in un sistema ottico WDM è, comunque, milioni di volte più alta in frequenza (terahertz invece che megahertz).
In un sistema WDM il numero desiderato di segnali emessi alle diverse lunghezze d'onda, dalle rispettive sorgenti LASER, sono accoppiate ad un'unica fibra a larga banda, come si può vedere nella figura 7.10.
Dal lato del ricevitore sono presenti fibre ottiche, con una più limitata banda, che vengono utilizzate per selezionare una sola delle lunghezze d'onda ricevute cosicché solamente un segnale può passare e stabilire la connessione tra sorgente e destinatario. L'importante è mantenere una adeguata separazione (spaziatura) tra le lunghezze d'onda trasmesse al fine di minimizzare la trasmissione di segnali indesiderati attraverso i filtri di selezione e, allo stesso tempo, tenere conto delle variazioni delle caratteristiche dei componenti optoelettronici nel tempo e con la temperatura. Tipicamente la spaziatura tra i canali varia tra 0.4 nm e 4 nm corrispondenti, rispettivamente, a 50 GHz e 500 GHz. Le tecniche WDM possono essere combinate con le tecniche TDM e questo uso congiunto consente il pieno sfruttamento dell'enorme banda offerta dalle fibre ottiche.

7.4 - Modulazione e Demodulazione
Quando si parla di trasmissioni TDM su di una singola lunghezza d'onda in un sistema ottico a grande velocità di trasmissione, si hanno di fronte tre grandi sfide: il modo migliore di generare il segnale ottico usando sistemi TDM di tipo ottico o elettronico, il modo migliore di trasmettere il segnale ottico ottenuto attraverso una fibra dispersiva e non lineare ed il modo migliore di ricevere il segnale ottico per consentire la demodulazione TDM.
I formati convenzionali di modulazione di stringhe (o sequenze) di bit 0 e 1 rientrano in due categorie. La prima è la modulazione ad impulsi senza ritorno a zero (NRZ, Non Return to Zero), nella quale si ha il mantenimento dello stato alto (livello logico 1) o basso (livello logico 0) per tutta la durata del tempo di bit T, cosicché non si hanno variazioni di ampiezza in T. La seconda categoria è la modulazione ad impulsi con ritorno a zero (RZ, Return to Zero), nella quale il livello logico 1 è mantenuto, tipicamente, solo nella prima metà del tempo di bit T e ritorna al livello logico 0 nella seconda metà del tempo di bit; in questo caso si hanno comunque variazioni di ampiezza in T (figura seguente).

Fig. 7.11 - Formati di modulazione NRZ ed RZ.
La modulazione NRZ è la più semplice delle due e richiede una banda minore: per esempio, le variazioni di ampiezza per una modulazione RZ di una sequenza di bit devono essere due volte più veloci delle variazioni in una modulazione NRZ richiedendo una banda doppia. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei sistemi attuali utilizza la modulazione NRZ.
Un impulso ottico NRZ può essere generato modulando direttamente la corrente di ingresso di un diodo LASER semplicemente superando o meno la corrente di soglia (Cap. 4), convertendo, così, il flusso di dati elettrico in ottico. Tutto ciò è realizzabile se la velocità di trasmissione è al di sotto di 1 GHz mentre ad alte velocità di trasmissione la modulazione diretta è poco desiderabile poichè la velocità di commutazione di un LASER (acceso-spento e viceversa) è limitata a circa 10 GHz. Ciò può causare problemi dovuti all'effetto "chirp" del laser (Cap. 2.4) e alla caratteristica di dispersione della fibra (Cap. 1.3) per trasmissioni a lunga distanza. Tuttavia, la modulazione NRZ per velocità di trasmissione fino a 40 GHz può essere prodotta con una trascurabile dispersione dovuta al LASER; si fa emettere il LASER in modo continuo e mediante un modulatore esterno si modula il raggio emesso dal LASER stesso. Per velocità superiori ai 100 Gb/s non esistono LASER o modulatori in grado di produrre impulsi brevi ed in rapida successione e, perciò, si è reso necessario utilizzare la modulazione RZ (con un livello di controllo tra due impulsi).
Per generare segnali ottici con velocità superiori ai 100 GHz si utilizza una sorta di trucco: la modulazione ottica con ritardo. Questo metodo ha incrementato la velocità di trasmissione a divisione di tempo di un fattore pari a 40 e ha consentito il superamento dei 400 GHz su una sola portante ottica.
Naturalmente tutto ciò ha richiesto miglioramenti anche in fase di ricezione per la demultiplazione e la rivelazione di segnali ottici ad alta velocità. La demultiplazione implica la capacità di separare un canale dai molti altri contenuti in un segnale TDM (per esempio, estrarre il decimo bit in un segnale contenente dieci canali multiplati). Inoltre, per rivelare il segnale deve essere ricostruito un segnale di clock in modo veloce così da consentire la sincronizzazione del ricevitore elettronico con con i tempi del flusso di dati contenuto in una finestra temporale (slot). Con i componenti elettronici attuali è possibile demultiplare fino a 40 GHz. Poichè la fibra ottica è un mezzo non lineare (l'indice di rifrazione dipende dalla potenza ottica totale locale) la velocità del raggio luminoso dipende dall'indice di rifrazione del mezzo e, quindi, la velocità di trasmissione su un canale può venire influenzata dalla velocità di trasmissione su un altro canale. L'effetto non lineare, appena citato, può essere sfruttato per estrarre un impulso di sincronismo da un flusso dati avente una desiderata ampiezza, all'interno del flusso multicanale TDM. L'impulso di controllo può, a sua volta, essere usato per ricavare un impulso caratteristico consentendo la demultiplazione dei canali.
La ricostruzione del segnale di clock dell'originale flusso dati è, normalmente, affidato ad un apposito circuito, il quale riconosce rapidamente queste variazioni di ampiezza nel flusso digitale e determina il cosiddetto clock rate. I circuiti elettronici in commercio consentono il recupero del clock fino a 10 Gb/s (40 Gb/s in apparati sperimentali) ma ancora non esistono circuiti elettronici integrati capaci di arrivare fino ai 100 Gb/s. Per raggiungere una tale velocità di demodulazione si adottano tecniche completamente ottiche basate sulla variazione di fase in analogia con i circuiti elettronici PLL (Phase Locked Loop). Un segnale ottico di errore può essere generato in un materiale non lineare mescolando il flusso dati da trasmettere con un segnale ottico ricavato dal clock locale. Questo segnale errore, che risulta dalla differenza di frequenza tra il segnale e il clock locale, è utilizzato per pilotare il clock del ricevitore provocando una perfetta sincronizzazione con la frequenza di clock del segnale dati.
Prima che i sistemi commerciali a 100 Gb/s siano operanti su vasta scala bisogna affrontare altre problematiche, come la sensibilità alla polarizzazione del segnale ottico.

7.5 - Tipi di Sistemi WDM
Molti anni di progresso tecnologico hanno portato, comunque, dei risultati significativi nella costruzione di sistemi WDM. Quattro tipi di sistemi WDM possono considerarsi rappresentativi dei molti attualmente in fase sperimentale.
La prima tecnologia impiegata è stata una sorgente multifrequenza composta da più diodi LASER (generalmente DFB) ciascuno emettente una sola frequenza. Nel mondo delle telecomunicazioni commerciali si è, poi, sentita l'esigenza di una soluzione più conveniente dal punto di vista economico come, ad esempio, una batteria di LASER multifrequenza integrati su di un unico substrato.
Il secondo tipo di tecnologia usata in sistemi WDM è l'utilizzo di filtri ottici sintonizzabili. Un filtro ottico è necessario all'ingresso del fotorivelatore per sopprimere i segnali indesiderati e ridurre il rumore generato dall'eventuale preamplificatore EDFA. I più comuni filtri ottici si basano su una cavità Fabry-Pèrot con due specchi sui lati della cavità mobili per renderla sintonizzabile. La sintonia si attua meccanicamente variando la distanza tra i due specchi e, quindi, variando la lunghezza d'onda risonante della cavità stessa.
Il terzo tipo di tecnologia sfrutta l'utilizzo di un router ottico passivo che, sostanzialmente, funziona sullo stesso principio di un multiplatore/demultiplatore ottico (figura seguente).

Fig. 7.12 - Principio di funzionamento di un router ottico passivo integrato.
L'aspetto importante e meno considerato in un sistema su fibra ottica a larga banda è il sostegno fornito, da un router passivo, nella distribuzione di più segnali da uno a molte destinazioni; analogamente a quanto avviene in un prisma che rifrange ogni colore di luce secondo differenti quantità. Un router ottico passivo con N porte di ingresso per N lunghezze d'onda può produrre N² possibili percorsi di segnale, consentendo un uso efficiente dell'insieme finito dei segnali disponibili. Mediante la separazione delle diverse frequenze su percorsi paralleli questo dispositivo permette, allora, di trattare e commutare ogni segnale individualmente.
Il quarto tipo utilizza l'amplificazione ottica multifrequenza (EDFA), che consente l'amplificazione simultanea di molti segnali a lunghezze d'onda diverse. Un inconveniente degli amplificatori ottici è, comunque, il fatto che il guadagno non è costante su tutta la propria banda. Questa mancanza di uniformità può essere contrastata disponendo più amplificatori ottici in cascata portando, però, ad un peggioramento del rapporto segnale-rumore (SNR) per alcuni canali (generalmente i più esterni nell'insieme dei canali multiplati), che potrebbe essere intollerabile. In tal caso vengono utilizzate tecniche di attenuazione selettiva dei segnali che vengono maggiormente amplificati o di equalizzazione sullo spettro coperto dall'amplificatore. Un metodo efficiente di guadagno equalizzato è l'uso di una fibra a reticolo di Bragg. Il reticolo viene inciso direttamente nella fibra perpendicolarmente alla direzione di propagazione della luce e ha la funzione, in pratica, di filtro selettivo. La funzione di filtraggio può essere realizzata in modo inverso alla differenza di amplificazione delle diverse lunghezze d'onda ottimizzando la spaziatura del reticolo. Mediante l'uso di tale tipo di fibra è possibile usare una cascata di amplificatori triplicando la banda su cui agire. In alternativa è possibile utilizzare un EDFA in fluoruro di vetro, anzichè in silicato vetroso.

7.6 - Raggiunto l'Obiettivo di 1 Tera-bit/secondo
Solo un decennio fa l'utilizzo, anche solo di una parte, dell'enorme banda messa a disposizione dalla fibra ottica era considerato un sogno. Nel 1996 è stata data notizia, quasi simultaneamente, di tre esperimenti per trasmissioni ottiche a 1 Tb/s che utilizzavano tecniche WDM e amplificatori EDFA. Vediamo brevemente quali.
In Giappone i ricercatori della Fujitsu Laboratories Ltd. sono riusciti ad effettuare una trasmissione a 1.1 Tb/s, su fibra convenzionale per una lunghezza di oltre 150 Km ad una lunghezza d'onda pari a 1.3 m (corrispondente alla lunghezza d'onda di dispersione nulla), di 55 canali multiplati WDM ciascuno modulato con tecnica NRZ a 20 Gb/s.
Ad Holmdel, nel New Jersey (USA), un gruppo di ricercatori degli AT&T Laboratories in collaborazione con la Lucent Technologies hanno effettuato una trasmissione a 1 Tb/s per oltre 55 Km di fibra ottica. In questo esperimento, l'uscita di 25 diodi LASER è stata suddivisa nelle due polarizzazioni ortogonali e ciscuno dei 50 segnali risultanti è stato modulato con modulazione NRZ a 20 Gb/s. La fibra utilizzata è stata una speciale fibra a dispersione spostata che presentava una lunghezza d'onda, in corrispondenza della dispersione nulla, pari a circa 1.52 m; che ha dimostrato la controllabilità degli effetti dispersivi e non lineari della fibra.
L'ultimo esperimento è stato condotto, ancora in Giappone, dalla Nippon Telegraph and Telephone Corporation sempre a 1 Tb/s su fibra a dispersione spostata per una lunghezza di 40 Km. In fibra sono stati spediti 10 segnali con tecnica WDM, provenienti da altrettanti LASER, ciascuno portante più segnali a divisione di tempo con modulazione RZ (ottenuta mediante linee di ritardo) per produrre un flusso con velocità di 100 Gb/s. La dispersione e le non linearità presentate dalla fibra sono state compensate con dispositivi disposti lungo la tratta. Dal lato ricevitore è stato usato un rivelatore di fase four-wave mixing per la ricostruzione del clock e la demodulazione dei segnali.
Recentemente la Nec Corp. è riuscita a espandere queste capacità raggiungendo i 2.6 Tb/s usando 126 canali ciascuno modulato a 20 Gb/s. Esistono, tuttavia, tentativi di compensare la dipersione introdotta dalla fibra ottica sul segnale tramesso.
In figura 7.13 è riportata la crescita esponenziale delle capacità dei sistemi su fibra ottica dovuta all'evoluzione tecnologica degli ultimi 15 anni.
Si deve ricordare che nei sistemi operanti come nodo di comunicazione tra più nazioni, soggetti ad un grosso volume di traffico, per mantenere bassi costi è necessaria la definizione di standard internazionali. Per molto tempo è stato seguito un protocollo orientato alla trasmissione su fibra: il SONET (Synchronous Optical Network), nel quale i dati vengono trasmessi in finestre temporali di 125 s ciascuna contenente un pacchetto di bit definito dal protocollo. Ogni pacchetto è diviso in due parti: un header, per il funzionamento e la gestione della rete, e una parte dati contenete l'informazione da trasmettere (ad esempio pacchetti dati ATM).
L'International Telecomunication Union (ITU) è in procinto di specificare le lunghezze d'onda per uso internazionale e ciascuna nazione, nonché le maggiori compagnie produttrici, sono chiamate ad esprimere il loro parere. I canali saranno distribuiti su di una scala di frequenze centrata a 193.1 THz (1.5525 m), distanziati ad intervalli di 100 GHz (0.8 nm). Prodotti commerciali optoelettronici basati su questo standard sono già disponibili (modulatori, ricevitori, LASER, ecc.) operanti sul canale ottico OC-192 a 10 Gb/s (Cap. 5.4.1).
Un uso commerciale dei sistemi WDM verrà fatto introducendo questi come moduli alle terminazioni dei già esistenti collegamenti trasparenti punto-punto, aumentandone drasticamente la capacità, con il vantaggio di non dover sostituire le fibre convenzionali già presenti.

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